Schnelles magnetisches Schreiben von Daten

Seit fast siebzig Jahren werden Magnetb?nder und Festplatten in Computern zur Datenspeicherung verwendet. Trotz vieler neuer Technologien, die in der Zwischenzeit entwickelt wurden, bleibt die kontrollierte Magnetisierung eines Datentr?gers aufgrund ihrer Langzeitbest?ndigkeit und geringen Kosten das Mittel der Wahl f¨¹r die Archivierung von Informationen. Zur Realisierung eines Random Access Memory (RAM) dagegen, wie Computer sie als Arbeitsspeicher zur Verarbeitung von Daten benutzen, galt die Magnettechnologie bislang allerdings als ungeeignet. Das liegt vor allem an ihrer geringen Schreibgeschwindigkeit und dem vergleichsweise hohen Energieverbrauch.

Pietro Gambardella, Professor am Department Materialwissenschaft der ETH Z¨¹rich, und seine Mitarbeiter haben nun gemeinsam mit Kollegen am Department Physik  sowie am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen gezeigt, dass magnetische Speicherung mit Hilfe eines neuen Verfahrens trotzdem blitzschnell und energiesparend erfolgen kann.

Magnetisierungs-Umkehr ohne Spulen

In traditionellen Magnetspeicher-Technologien werden mit einer Kobaltlegierung beschichtete Band- oder Platten-Datentr?ger verwendet. Mittels einer stromdurchflossenen Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, das jeweils in einem kleinen Bereich des Datentr?gers die Magnetisierungsrichtung ?ndert. Der Vorgang ist gemessen an den Geschwindigkeiten moderner Prozessoren sehr langsam, und zudem kommt es durch den elektrischen Widerstand der Spulen zu Energieverlusten. Viel besser w?re es daher, die Magnetisierungsrichtung ohne den Umweg ¨¹ber eine Magnetspule zu ?ndern.

Bereits 2011 demonstrierten Gambardella und seine Kollegen ein Verfahren, das genau dies schaffte: Elektrischer Strom, der durch einen speziell beschichteten Halbleiterfilm floss, kehrte die Magnetisierung in einem winzigen Metallpunkt um. Dies wird durch einen physikalischen Effekt erm?glicht, der als Spin-Bahn-Drehmoment bezeichnet wird. Dabei f¨¹hrt das Fliessen eines elektrischen Stroms in einem Leiter zu einer Anh?ufung von Elektronen mit entgegengesetzten magnetischen Momenten (Spin) an den beiden Enden des Leiters. Die Spins der Elektronen wiederum schaffen ein Magnetfeld, das zur Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome eines in unmittelbarer N?he befindlichen magnetischen Materials f¨¹hrt. Nun haben die Wissenschaftler in einer neuen Arbeit untersucht, wie dieser Vorgang im Detail funktioniert und wie schnell er ist. Die Ergebnisse wurden k¨¹rzlich in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology ver?ffentlicht.

R?umliche Aufl?sung mit R?ntgenstrahlen

In ihrem Experiment kehrten die Forschenden die Magnetisierung eines Kobalt-Punktes von nur 500 Nanometern Durchmesser mit elektrischen Strompulsen um, die durch einen benachbarten Platindraht flossen. W?hrenddessen setzten sie den Kobalt-Punkt stark geb¨¹ndelten R?ntgenstrahlen aus, die in der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz am PSI erzeugt wurden und die den Punkt nach und nach mit einer r?umlichen Aufl?sung von 25 Nanometern abtasteten. Wie stark der Punkt die R?ntgenstrahlen an einer bestimmten Stelle absorbierte, hing davon ab, in welche Richtung das Metall dort magnetisiert war.

?Auf diese Weise erhielten wir ein zweidimensionales Bild der Magnetisierung des Kobalt-Punktes und konnten zusehen, wie der Strompuls diese allm?hlich ver?nderte?, erkl?rt Manuel Baumgartner, Erstautor der Studie und Doktorand in Gambardellas Forschungsgruppe.

Die Forscher konnten so feststellen, dass die Umkehrung der Magnetisierung in weniger als einer Nanosekunde erfolgte ¨C deutlich schneller als in anderen in j¨¹ngster Zeit erforschten Verfahren. ?Zudem k?nnen wir aufgrund der Parameter des Experiments vorhersagen, wann und wo die Magnetisierungs-Umkehrung beginnt und wo sie endet?, f¨¹gt Gambardella hinzu. In anderen Verfahren wird die Umkehrung zwar ebenfalls durch elektrischen Strom angetrieben, ausgel?st aber wird sie durch thermische Fluktuationen im Material, wodurch der Zeitpunkt der Umkehrung starken Schwankungen unterliegt.

M?gliche Anwendungen in RAM

Bis zu einer Billion Umkehr-Pulse schickten die Forscher mit einer Frequenz von 20 Megahertz durch den Kobalt-Punkt, ohne dass die Qualit?t der Magnetisierungs-Umkehrung darunter litt. ?Das l?sst uns hoffen, dass unsere Technologie f¨¹r Anwendungen in magnetischen RAM geeignet ist?, sagt Gambardellas ehemaliger Postdoktorand Kevin Garello, ebenfalls Erstautor der Studie. Garello arbeitet mittlerweile am Forschungszentrum Imec in L?wen, Belgien, an der kommerziellen Umsetzung des Verfahrens.

Als ersten Schritt in diese Richtung wollen die Forscher ihre Materialien so optimieren, dass die Umkehrung noch schneller und mit geringeren Stromst?rken funktioniert. Unter anderem soll dies durch eine verbesserte Form der Kobalt-Punkte erreicht werden. Im Moment sind diese rund, doch andere Formen wie Ellipsen oder Rauten k?nnten die Magnetisierungs-Umkehrung noch effizienter machen, wie die Wissenschaftler sagen. Mit magnetischen RAM w¨¹rde unter anderem das Laden des Betriebssystems beim Hochfahren eines Computers ¨¹berfl¨¹ssig ¨C die entsprechenden Programme blieben dann auch ohne Stromzufuhr im Arbeitsspeicher erhalten.